JP2009150575A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な冷却効果を維持することができる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明の沸騰冷却装置１は、外面２１１ａに発熱体Ｚが取り付けられ、内面２１１ｂに冷媒が接する熱伝達壁２１１を有する液体容器部２１と、液体容器部２１に連なり、発熱体Ｚの熱によって沸騰した冷媒を凝縮させる凝縮部２２とを備え、車両に搭載される沸騰冷却装置であって、熱伝達壁２１は、外面２１１ａが内面２１１ｂより車両前方側または車両後方側となるように配置され、且つ、内面２１１ｂに対する垂直方向のうち内面２１１ｂから外面２１１ａに向う方向Ｙが車両の床面に対して車両下方側を向くように傾いていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒を用いた沸騰冷却装置に関するものである。

沸騰冷却装置は、冷却液の液体から気体への相変化を利用して発熱体を冷却する装置である。例えば、特開２００３−４２６７２号公報（特許文献１）に開示された沸騰冷却装置では、内部に冷媒を貯留し一方表面に発熱体が取り付けられる冷媒容器と、冷媒容器の他方表面に組付けられた放熱部とを備えている。さらに、この沸騰冷却装置は、冷媒容器内を発熱体側流路と放熱部側流路とに仕切る障壁部を備えている。

このように、沸騰冷却装置は、冷媒容器が直立した状態で使用され、良好な冷媒循環を実現している。そして、沸騰冷却装置は、車両の床面に対して冷媒容器が直立姿勢となるように車両に搭載されている。直立姿勢において、発熱体が取り付けられる外面は、車両の床面に対して垂直となっている。発熱体が取り付けられた外面に対向する内面は、冷媒と接しており、外面同様車両の床面に対して垂直となっている。
特開２００３−４２６７２号公報

車両に搭載された場合、発熱体は、急発進または急停止時の高負荷により過渡的に超高温（過渡熱）となりやすい。そして、限界熱流速点を越えた場合には、発熱面と冷媒との熱交換が良好に行われず、発熱体が冷却されなくなってしまう。これは、バーンアウトの原因となりうる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、良好な冷却効果を維持することができる沸騰冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の沸騰冷却装置は、取付面に発熱体が取り付けられ、取付面に対向する内面に液体の冷媒が接する熱伝達壁を有する液体容器部と、液体容器部に連なり、発熱体の熱によって沸騰した冷媒を凝縮させる凝縮部とを備え、車両に搭載される沸騰冷却装置であって、熱伝達壁は、取付面が内面より車両前方側または車両後方側となるように配置され、且つ、内面に対する垂直方向のうち内面から取付面に向う方向が車両の床面に対して車両下方側を向くように傾いていることを特徴とする。なお、車両が接地している面（道路等）を車両接地面とすると、車両の床面は車両接地面に平行な面である。また、本発明における車両上下方向は、車両の床面（車両接地面）に垂直な方向を意味する。

本発明によれば、車両接地面が水平であるとき（水平状態）、熱伝達壁の内面は傾斜面であるため、液体容器部内部から当該内面に向けて常に重力加速度が加わる。これにより、重力加速度が加わると、一般的に良く知られているように、限界熱流速が増大する。従って、良好な冷却効果を維持することができる。

従来の沸騰冷却装置は、熱伝達壁の内面が車両接地面に垂直となるように、車両に設置されていた。つまり、熱伝達壁の内面は、外面に向かう法線方向が車両接地面に平行な方向となっていた。これによれば、水平状態において、内面に重力加速度が加わることがなく、従って、良好な冷却効果が維持できない虞があった。

しかしながら、本発明の沸騰冷却装置によれば、少なくとも内面（すなわち、冷媒との接触面）が傾斜面であるため、内面と冷媒との良好な接触を維持することができる。なお、本発明は、熱伝達壁の内面を車両上下方向に対して積極的に傾斜させたものである。つまり、本発明は、構造的に内面（または、熱伝達壁全体）を車両上下方向に対して傾斜させたものや、車両上下方向に対して積極的に傾斜させて車両に設置したものである。従って、車両への設置誤差により傾斜したものは本発明から除かれる。

バーンアウトは、離脱・合体する気泡の動きと、気泡に代わって内面へ向かう液体流との流体力学的不安定によって生じると考えられている。そして、内面に加わる加速度が大きいほど、バーンアウトが発生しにくくなることが経験的に求められている。

また、Ｚｕｂｅｒ（ヅーバー）の式では、限界熱流束が加速度の１／４乗に比例している。限界熱流束を超えると、気泡により内面と冷媒とが接触しなくなってしまう。つまり、内面に加わる加速度が大きいほど、限界熱流束が大きくなり、気泡による冷却効果の低下を抑制することができる。

本発明では、熱伝達壁は、取付面が内面より車両前方側または車両後方側となるように配置される。換言すれば、発熱体が液体容器部の車両前方側かあるいは車両後方側に取り付けられる。発熱体を液体容器部の車両前方側に配置した場合、車両のブレーキ時に、内面に（車両前方へ）慣性力による加速度が加わり、内面近傍の冷媒圧力を高くすることができる。従って、急ブレーキ時であっても、良好な冷却効果を得ることができる。

一般に、車両における発熱体は、モータがロックされる等により、急ブレーキ時に大きな負荷がかかり、過渡的に高温となってしまう。このとき、内面には、高温の熱が伝えられ、大きな気泡ができてしまう。しかし、本発明によれば、発熱体が高温となる急ブレーキ時に、内面に向けて加速度が加わり、良好な冷却効果を得ることができる。

一方、発熱体を液体容器部の車両後方側に配置した場合、上記と反対に、車両の加速（発進）時に、良好な冷却効果を得ることができる。急加速時には、さらに効果が発揮される。なお、車両における発熱体は、急加速時よりも急ブレーキ時のほうが高温となりやすいものが多い。

また、本発明において、熱伝達壁の内面は、凹凸のない平面とは限らない。内面は、湾曲面であってもよいし、複数の突起部を有してしてもよい。このように内面が平面でない場合、突起（凹み、湾曲）部分の高さ（厚さ）を平均した平均高さとなる面を内面とする。つまり、本発明において、内面に対する垂直方向は、平面の場合、そのまま内面に対する垂直方向であり、平面でない場合、平均高さとなる面を内面とした当該内面に対する垂直方向となる。

ここで、内面は傾斜面であり、取付面は、内面に平行な傾斜面であることが好ましい。例えば、熱伝達壁全体を車両上下方向に対して傾斜させたものである。これによれば、冷媒への熱の伝達が均一となり、冷却性能を向上させることができる。

本発明の沸騰冷却装置によれば、良好な冷却効果を維持することができる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態の沸騰冷却装置１について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、沸騰冷却装置１を示す模式斜視図である。図２は、図１における模式Ａ−Ａ断面図である。図３は、熱伝達壁２１１近傍を示す模式図である。

図１に示すように、沸騰冷却装置１は、冷媒容器２と、凝縮パイプ部３とを備えている。冷媒容器２は、金属製であり、図２に示すように、断面が略Ｌ字型であり、内部に冷媒（例えばフロン類など）が貯留されている。冷媒容器２は、液体容器部２１と、凝縮部２２と、冷媒環流部２３とからなり、液体容器部２１と冷媒環流部２３とが偏向板４により仕切られている。一般に、冷媒循環は、以下のとおりである。すなわち、液体容器部２１において発熱体Ｚから受熱して沸騰した冷媒蒸気が、凝縮部２２で凝縮され、その凝縮液が冷媒環流部２３に流入し、冷媒環流部２３が液体容器部２１に冷媒を戻す。

本実施形態において、液体容器部２１は、熱伝達壁２１１を一側壁として備えている。液体容器部２１は、図２に示すように、およそ熱伝達壁２１１と偏向板４とを含む側面（四面）で囲まれた部位である。熱伝達壁２１１の外面２１１ａ（本発明における「取付面」に相当する）には、発熱体Ｚが取り付けられる。発熱体Ｚは、例えば半導体素子等である。

ここで、図２に示すように、車両の床面および車両接地面に平行な面を面Ｘとする。そして、冷媒容器２の底面２ａが面Ｘに平行な状態を設置状態とする。沸騰冷却装置１は、図２に示す設置状態となるように、車両に搭載される。また、本実施形態において、発熱体Ｚは、冷媒容器２（液体容器部２１）の車両前方側に取り付けられる。以下、図２に示す設置状態に基づいて説明する。

図２に示すように、液体容器部２１は、車両前方側に熱伝達壁２１１を備えている。熱伝達壁２１１の外面２１１ａは、内面２１１ｂよりも車両前方に位置している。そして、内面２１１ｂは、内面２１１ｂに対する垂直方向のうち内面２１１ｂから外面２１１ａに向う方向Ｙは、面Ｘに対して車両下方側を向くように傾いている。従って、面Ｘが水平面に平行である場合、内面２１１ｂには、図３に示すように、常に重力加速度が加わる。この内面２１１ｂは、平面である。

外面２１１ａは、内面２１１ｂに平行な傾斜面となっている。つまり、熱伝達壁２１１全体が傾斜している。なお、本実施形態において、熱伝達壁２１１の車両上下方向に対する傾斜角は、およそ３０度となっている。

液体容器部２１は、発熱体Ｚの熱を受ける。そして、その熱によって液体容器部２１内部の冷媒が沸騰する。沸騰した冷媒蒸気は、上昇し、凝縮部２２に入る。凝縮部２２については後述する。冷媒は、液面がおよそ液体容器部２１上部となるように貯留されている。

冷媒環流部２３は、冷媒容器２の内部で偏向板４によって仕切られた一方側であり、熱伝達壁２１１とは反対側（車両後方側）に位置している。冷媒環流部２３は、液体容器部２１に連なり且つ並列的に配置されている。冷媒環流部２３の内部は、車両下方が液体容器部２１の内部に連通している。これによれば、沸騰により液体容器部２１の液面が低下すると、冷媒環流部２３内部の冷媒が圧力差により液体容器部２１に供給される。

凝縮部２２は、冷媒環流部２３の車両上方側に位置している。そして、凝縮部２２は、冷媒環流部２３の上方から車両後方へ突出している。凝縮部２２の内部は、車両前方側で液体容器部２１の内部に連通し、液体容器部２１よりも車両後方側で冷媒環流部２３の内部に連通している。

凝縮パイプ部３は、凝縮部２２を貫通し、凝縮部２２の内部に位置する部位が複数の偏平管の集合体３１（熱交換器）で構成されている。凝縮パイプ部３の内部には、冷媒が流通しており、図示しないヘッダーを介して各偏平管内部に冷媒（冷却水等）が流れている。つまり、集合体３１は、凝縮部２２に収容され、液体容器部２１で沸騰した冷媒蒸気を凝縮する。凝縮部２２で凝縮された冷媒は、冷媒環流部２３に流れ込み、後に液体容器部２１に戻される。

偏向板４は、液体容器部２１および冷媒環流部２３の側面を形成し、冷媒容器２の内部空間を液体容器部２１と冷媒環流部２３とに仕切っている。偏向板４は、板状であり、内面２１１ｂに平行に延在する仕切り部４１と、仕切り部４１の上端から車両上方（集合体３１側）に延びる偏向部４２とからなっている。

これにより、冷媒蒸気は集合体３１に向かいやすくなり、効率よく冷媒蒸気を集合体３１に当てることができる。なお、偏向部４２の延伸方向は、集合体３１の配置側に向かっていれば効果を得ることができる。

ここで、本実施形態の効果について説明する。上述のとおり、熱伝達壁２１１の内面２１１ｂは、傾斜面となっている。従って、面Ｘが水平面に平行である場合、内面２１１ｂには、図３に示すように、常に重力加速度が加わる。これにより、限界熱流束が大きくなるため、良好な冷却効果を維持することが可能となる。

さらに、本実施形態では、熱伝達壁２１１の外面２１１ａが内面２１１ｂよりも車両前方に位置している。つまり、発熱体Ｚは、冷媒容器２（液体容器部２１）の車両前方側に取り付けられている。これにより、車両のブレーキ時（減速時）には、図３に示すように、内面２１１ｂに慣性力による加速度が加わる。従って、上記効果に加えて、急ブレーキ時には、さらに、良好な冷却効果を発揮することができる。発熱体Ｚは、急ブレーキ時に過渡的に高温となりやすく、このときに良好な冷却効果を得られることで、バーンアウトの発生等を効率よく防ぐことができる。

また、内面２１１ｂが垂直であった場合には、内面２１１ｂの下部で発生した気泡が、内面２１１ｂの上部で発生した気泡に干渉して、気泡が合体して大きな気泡になり、冷媒の再供給がスムースに行われないことが考えられる。それに対して、本実施形態では、熱伝達壁２１１の内面２１１ｂを傾斜させていることにより、内面２１１ｂ下部で発生した気泡と内面２１１ｂ上部で発生した気泡とが干渉（合体）しにくくなり、内面２１１ｂ近傍で発生した気泡が離脱しやすくなり、冷媒の再供給もされやすいため、冷却性能が向上する。

以上、本実施形態の沸騰冷却装置１によれば、良好な冷却効果を維持することができる。なお、沸騰冷却装置１は、車両前後方向が図２と反対となるように車両に搭載されてもよい。つまり、沸騰冷却装置１は、外面２１１ａが内面２１１ｂより車両後方側に位置するように設置されてもよい。これによれば、内面２１１ｂは、重力加速度を受けるとともに、加速時に加速度を受ける。従って、急加速（急発進）時であっても良好な冷却効果を発揮し、バーンアウトを防ぐことができる。

また、発熱体Ｚを液体容器部２１内に配置する構成としてもよい（浸漬方式）。この場合、例えば、図４に示すように、発熱体Ｚを収めたケース等の冷媒接触面（車両後方面）が内面２１１ｂに相当し、それに対向する面（車両前方面）が外面２１１ａに相当する。この場合であっても、上記同様の効果を得ることができる。なお、発熱体Ｚが半導体素子のような電子部品である場合は、絶縁性の冷媒を用いることが好ましい。

また、沸騰冷却装置１は、冷媒容器２の底面２ａが面Ｘと平行であるため、車両の床面に対して安定して設置することができる。つまり、沸騰冷却装置１によれば、車両搭載後の安定度を向上させることもできる。

また、熱伝達壁２１以外の底面等については、面Ｘに対する角度を図２の構造に限定する必要はなく、適宜変更しても同様の効果が得られる。

また、内面２１１ｂは、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、平面でなくてもよい。これらの場合でも、重力加速度により限界熱流束は増大し、上記のような効果を得ることができる。本実施形態において、内面２１１ｂは、それぞれ、図５にしめすように、その平均高さとなる面Ｂ１、Ｂ２としている。そして、内面Ｂ１、Ｂ２に対する垂直方向のうち外面２１１ａに向かう方向は、それぞれ方向Ｙ１、Ｙ２となり、面Ｘに対して車両下方側となっている。

沸騰冷却装置１を示す模式斜視図である。 図１における模式Ａ−Ａ断面図である。 熱伝達壁２１１近傍を示す模式図である。 浸漬方式における図３に相当する模式図である。 内面２１１ｂの変形例を示す図３に相当する模式図である。

符号の説明

１：沸騰冷却装置、２：冷媒容器、２１：液体容器部、２１１：熱伝達壁、
２１１ａ：外面、２１１ｂ：内面、
２２：凝縮部、２３：冷媒環流部、３：凝縮パイプ部、３１：集合体、
４：偏向板、４１：仕切り部、４２：偏向部、Ｚ：発熱体

Claims (2)

1. 取付面に発熱体が取り付けられ、前記取付面に対向する内面に液体の冷媒が接する熱伝達壁を有する液体容器部と、
   前記液体容器部に連なり、前記発熱体の熱によって沸騰して気体となった前記冷媒を凝縮させる凝縮部と、
   を備え、車両に搭載される沸騰冷却装置であって、
   前記熱伝達壁は、前記取付面が前記内面より車両前方側または車両後方側となるように配置され、且つ、前記内面に対する垂直方向のうち前記内面から前記取付面に向う方向が前記車両の床面に対して車両下方側を向くように傾いていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記取付面は、前記内面に平行な傾斜面である請求項１に記載の沸騰冷却装置。

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